CN103985852B - 氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,涉及锂离子电池用负极材料领域。依次经过制备钛酸锂前驱体粉末,惰性气氛下高能球磨锆粉、钛酸锂前驱体和添加剂,最后在氮气混合气氛下高温烧结进行钛酸锂的合成及表面锆的氮化反应。通过本发明制备的氮化锆包覆钛酸锂复合材料,氮化锆包覆层均匀度高,包覆效果好,导电性好,解决了钛酸锂导电性低的问题;同时有效的解决了钛酸锂体系电池胀气问题,提高了钛酸锂负极材料的循环稳定性,大大提高了电池的循环寿命。并且本发明的制备过程简单可控,可通过控制制备氮化锆包覆钛酸锂复合材料的工艺参数,从而控制氮化锆的包覆程度。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池用负极材料领域,具体是涉及一种氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法。
背景技术
近年来,由于石油价格不断攀升以及严重的全球变暖问题,低碳生活越来越受到人们的关注,混合电动汽车及纯电动汽车已经开始走进人民的生活;锂离子电池是此类动力工具的最佳候选者。然而对于此类动力交通工具而言,锂离子电池的关键问题是安全性能,由于现有的锂离子电池通常使用碳材料做负极,其嵌锂电位与金属锂的电位非常接近,在大电流充电时很容易在负极表面生长枝晶锂,带来安全隐患。而且碳负极在首次充放电过程中易于形成SEI膜,不仅造成不可逆容量损失,还消耗了锂盐,导致电池性能下降。难以满足锂离子电池大电流放电要求。
尖晶石性钛酸锂Li4Ti5Ol2是一种极具应用前景的电池负极材料,其相对于锂电极的电位是1.5V,在电池充放电过程中不易形成枝晶锂,安全性好。Li4Ti5Ol2的理论比容量是175mAh/g,实际比容量可达165mAh/g,同时在充放电过程中,Li+的脱嵌对Li4Ti5Ol2材料的结构几乎无影响,因而使Li4Ti5Ol2具有优良的循环性能。另外Li4Ti5Ol2还具有放电电压平稳、嵌锂电位高可在大多数液体电解质的稳定电压区间内使用而不与电解液形成SEI膜,库伦效率高等特点;Li4Ti5Ol2以其优异的循环性能、充放电能力和平稳的充放电电压平台等优点,使其成为了锂离子电池极具发展前景的负极材料,有着巨大的研究价值和商业应用前景。
然而Li4Ti5Ol2直接应用于锂电池时存在两方面的不足,一是钛酸锂的电阻率高,二是在电池开发中发现钛酸锂体系的动力电池普遍存在胀气问题,严重影响了电池性能的发挥。研究表明,钛酸锂负极材料中的结晶水以及电解液中存在的痕量水较难除去,在成品电池的化成以及循环过程中,这些痕量水造成电解液失效分解并产生气体,造成气胀现象,影响电池使用寿命。同时研究也发现,钛酸锂中的高价钛具有较强的催化活性,因此容易催化碳酸酯电解液分解产生气体,使电芯发生胀气。
通过钛酸锂表面的修饰剂包覆可以解决或降低以上两方面的不足。目前针对解决钛酸锂负极锂离子电池胀气的方法仍然较少;东芝公司提出在电解液中添加高沸点并易于成膜的添加剂在负极表面形成钝化膜来改善这一问题;专利CN101682028A发明专利采取在负极极片制作过程中在浆料中添加吸气材料来改善钛酸锂电池胀气;专利CN102055020A采用控制电池的荷电状态,增强钛酸锂负极在预充阶段形成的钝化膜稳定性,抑制了其与电解液的反应,从而在解决电池胀气问题上起了一定效果;专利CN102376947A通过在钛酸锂表面形成稳定的氧化铝包覆层来抑制充放电过程中电解液的分解,从而解决锂电池胀气问题,提高了电池的循环寿命。
因此,如何进一步改善钛酸锂负极材料的界面稳定性,防止电池胀气,提高电池的循环寿命,成为了亟待解决的科学问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题,本发明的目的是提供一种氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)、按照锂、钛元素的摩尔比为0.81~0.86:1称取锂盐和二氧化钛,湿磨分散处理4~10h,然后真空干燥处理得到钛酸锂前驱体粉末;
(2)、按照锆、钛元素摩尔比为0.01~0.1:1称取锆粉和钛酸锂前驱体粉末于球磨设备中,再加入粉料总质量1~10%的氯化铵添加剂并通入惰性气体,球磨处理2~6h;
(3)、将步骤(2)中球磨处理均匀后的物料在流动惰性气体吹动下转移至已排空空气的氮化处理设备中,继续通入惰性气体10~30min,然后通入含有氮气的混合气体,加热至1000℃,然后降温至700~900℃保持反应8~16h;
(4)、反应结束后,关闭混合气体中除氮气以外的其他气体,在氮气气氛中冷却至室温,即得到氮化锆包覆的钛酸锂复合材料。
作为本发明氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法的进一步改进:
所述步骤(1)中的锂盐为碳酸锂、硝酸锂或氢氧化锂,二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛。
所述步骤(1)中湿磨分散处理所添加的液体介质为去离子水或酒精。
所述步骤(1)中真空干燥处理的温度为80~120℃,真空干燥处理时间为8~20h。
所述步骤(2)中的锆粉的纯度大于99%,且粒度小于50μm。
所述步骤(2)中球磨设备内球、料重量比为20~50:1,球磨设备体积填充比为1/8~1/2。
所述步骤(3)中流动惰性气体的流量为3~8L/min。
所述步骤(3)中的惰性气体为氩气。
所述步骤(3)中的含有氮气的混合气体为含有体积比为5~10%氨气的氮气-氨气混合气体,氮气的纯度大于99.9%,且氮气-氨气混合气体通入的流量为10~15L/min。
所述步骤(3)中加热至1000℃的升温速率为10~30℃/min。
本发明的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其有益效果表现在:
1)、制备的氮化锆包覆钛酸锂复合材料,氮化锆包覆层均匀度高,包覆效果好,导电性好;并且制备过程简单可控,可通过控制制备氮化锆包覆钛酸锂复合材料的工艺参数,从而控制氮化锆的包覆程度。
2)、制备的氮化锆包覆钛酸锂复合材料,有效的避免了钛酸锂电极表面直接与电解液的接触反应,防止了电解液分解副反应发生导致的胀气现象,提高了钛酸锂负极材料的循环稳定性,大大提高了电池的循环寿命。
3)、制备的氮化锆包覆钛酸锂复合材料,具有优良的导电性及良好的化学稳定性,Li4Ti5Ol2/ZrN的材料的生产可改善Li4Ti5Ol2大电流充放电的性能。
4)、制备方法中,锂盐过量,一方面起到弥补高温下合成钛酸锂时锂损失的作用,另一方面还起到降低锆氮化温度的作用。氯化铵添加剂起到促进锆更好氮化的作用。快速升温至1000℃的目的是先进行预氮化以促进氮化反应。混合气体优选为氮气和氨气混合气体,其中氨气占混合气的5~10%,在反应过程中起到减少结块,降低淡化温度,促进氮化反应的作用。
附图说明
图1为实施例1制备的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的XRD图。
图2为实施例1制备的氮化锆包覆钛酸锂复合材料组装成电池的循环曲线。
具体实施方式
为进一步描述本发明,下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明,但并不因此将本发明限制在的实施例范围之内。
实施例1
(1)按照锂、钛元素的摩尔比为0.82称取碳酸锂和二氧化钛,用酒精进行球磨分散处理6小时,再将得到的浆料于真空干燥箱100℃下干燥处理10小时,得到钛酸锂前驱体粉末。
(2)按照锆、钛元素的摩尔比为0.03称取铝粉及钛酸锂前驱体粉末于高能球磨罐中,再加入占总物料质量百分比为5%的氯化铵添加剂,球料比为20:1,填充比为1/4,充入氩气后密封球磨罐,高能球磨4小时。
(3)将上述球磨均匀的物料在流动氩气5L/min的吹动下转移至料舟内并送入已排空空气的管式氮化气氛炉中,继续通入氩气20min后关闭氩气,转用氮气和氨气混合气,其中氨气占总气体的5%。,混合气体流量为15L/min,以15℃/min的升温速率加热至1000℃,然后降至850℃保温12小时。
(4)反应结束后,关闭氨气,在氮气气氛中冷却至室温,即得到氮化锆包覆的钛酸锂复合材料。
图1为该实施例制备的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的XRD图,通过图1可以看出,氮化锆的包覆并没有改变钛酸锂的尖晶石结构。
将本实施例中制备的氮化锆包覆钛酸锂材料按照材料比例为Li4Ti5O12:SP:PVDF=8:1:1组装成纽扣电池,采用Clgard2300型隔膜,金属锂片为对电极,进行1C倍率充放电循环测试,其结果如图2所示,1C循环200次后容量保持率为98.8%。
实施例2
(1)按照锂、钛元素的摩尔比为0.82称取碳酸锂和二氧化钛,用去离子水进行球磨分散处理6小时,再将得到的浆料于真空干燥箱100℃下干燥处理10小时,得到钛酸锂前驱体粉末。
(2)按照锆、钛元素的摩尔比为0.03称取锆粉及钛酸锂前驱体粉末于高能球磨罐中,再加入占总物料质量百分比为3%的氯化铵添加剂,球料比为20:1,填充比为1/4,充入氩气后密封球磨罐,高能球磨4小时。
(3)将上述球磨均匀的物料在流动氩气5L/min的吹动下转移至料舟内并送入已排空空气的管式氮化气氛炉中,继续通入氩气20min后关闭氩气,转用氮气和氨气混合气,其中氨气占总气体的10%。,混合气体流量为15L/min,以15℃/min的升温速率加热至1000℃,然后降至850℃保温10小时。
(4)反应结束后,关闭氨气,在氮气气氛中冷却至室温,即得到近似于图1图谱和图2曲线所示的氮化锆包覆的钛酸锂复合材料。
实施例3
(1)按照锂、钛元素的摩尔比为0.84称取硝酸锂和二氧化钛,用酒精进行球磨分散处理6小时,再将得到的浆料于真空干燥箱100℃下干燥处理10小时,得到钛酸锂前驱体粉末。
(2)按照锆、钛元素的摩尔比为0.05称取锆粉及钛酸锂前驱体粉末于高能球磨罐中,再加入占总物料质量百分比为5%的氯化铵添加剂,球料比为20:1,填充比为1/4,充入氩气后密封球磨罐,高能球磨4小时。
(3)将上述球磨均匀的物料在流动氩气5L/min的吹动下转移至料舟内并送入已排空空气的管式氮化气氛炉中,继续通入氩气20min后关闭氩气,转用氮气和氨气混合气,其中氨气占总气体的5%。,混合气体流量为12L/min,以15℃/min的升温速率加热至1000℃,然后降至800℃保温12小时。
(4)反应结束后,关闭氨气,在氮气气氛中冷却至室温,即得到近似于图1图谱和图2曲线所示的氮化锆包覆的钛酸锂复合材料。
实施例4
(1)按照锂、钛元素的摩尔比为0.84称取氢氧化锂和二氧化钛,用酒精进行球磨分散处理4小时,再将得到的浆料于真空干燥箱80℃下干燥处理10小时,得到钛酸锂前驱体粉末。
(2)按照锆、钛元素的摩尔比为0.05称取锆粉及钛酸锂前驱体粉末于高能球磨罐中,再加入占总物料质量百分比为5%的氯化铵添加剂,球料比为14:1,填充比为1/3,充入氩气后密封球磨罐,高能球磨5小时。
(3)将上述球磨均匀的物料在流动氩气6L/min的吹动下转移至料舟内并送入已排空空气的管式氮化气氛炉中,继续通入氩气30min后关闭氩气,转用氮气和氨气混合气,其中氨气占总气体的5%。,混合气体流量为12L/min,以20℃/min的升温速率加热至1000℃,然后降至800℃保温14小时。
(4)反应结束后,关闭氨气,在氮气气氛中冷却至室温,即得到近似于图1图谱和图2曲线所示的氮化锆包覆的钛酸锂复合材料。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明,所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征是包括如下步骤:
(1)、按照锂、钛元素的摩尔比为0.81~0.86:1称取锂盐和二氧化钛,湿磨分散处理4~10h,然后真空干燥处理得到钛酸锂前驱体粉末;
(2)、按照锆、钛元素摩尔比为0.01~0.1:1称取锆粉和钛酸锂前驱体粉末于球磨设备中,再加入粉料总质量1~10%的氯化铵添加剂并通入惰性气体,球磨处理2~6h;
(3)、将步骤(2)中球磨处理均匀后的物料在流动惰性气体吹动下转移至已排空空气的氮化处理设备中,继续通入惰性气体10~30min,然后通入含有氮气的混合气体,加热至1000℃,然后降温至700~900℃保持反应8~16h;
(4)、反应结束后,关闭混合气体中除氮气以外的其他气体,在氮气气氛中冷却至室温,即得到氮化锆包覆的钛酸锂复合材料。
2.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的锂盐为碳酸锂、硝酸锂或氢氧化锂,二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛。
3.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中湿磨分散处理所添加的液体介质为去离子水或酒精。
4.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中真空干燥处理的温度为80~120℃,真空干燥处理时间为8~20h。
5.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的锆粉的纯度大于99%,且粒度小于50μm。
6.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中球磨设备内球、料重量比为20~50:1,球磨设备体积填充比为1/8~1/2。
7.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中流动惰性气体的流量为3~8L/min。
8.根据权利要求1或7所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的惰性气体为氩气。
9.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的含有氮气的混合气体为含有体积比为5~10%氨气的氮气-氨气混合气体,氮气的纯度大于99.9%,且氮气-氨气混合气体通入的流量为10~15L/min。
10.根据权利要求1所述的氮化锆包覆钛酸锂复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中加热至1000℃的升温速率为10~30℃/min。
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